雷永杰，周建波，傅萬四，馮海韻，傅 興，王凡雨，張立忠，張雨晴，廖新華

（1.國家林業(yè)和草原局 哈爾濱林業(yè)機械研究所，黑龍江 哈爾濱 150086；2.中國林業(yè)科學研究院 木材工業(yè)研究所，北京 100091；3.北京海墾商貿(mào)發(fā)展有限公司，北京 100028；4.長沙正忠科技發(fā)展有限公司，湖南 長沙 410116）

中國竹林面積大，竹材資源豐富。據(jù)統(tǒng)計，2022 年中國竹林面積高達709.92 萬hm2，但由于竹子主要分布在海拔200～1 200 m[1]，受竹林立地條件和林道建設滯后制約，將竹子從山上采伐運輸出來十分困難。長期以來，人工砍伐竹材后，通過人力或畜力將竹材運至山下，生產(chǎn)方式落后，勞動強度大、效率低[2]。為降低勞動強度，有人把鋼絲繩作為運送索道來實現(xiàn)快速運竹，但運送索道前期布置比較困難，且對懸索和跑車的使用壽命及安全要求較高[3]。當前，中國林業(yè)索道集材領域跑車主要分為無動力源和自帶動力源兩大類。無動力源跑車不具備自主起吊或裝卸貨物的能力，此類索道裝卸貨物需人力或其他外力，功能單一，效率不高。自帶動力源跑車可起吊和自主裝卸貨物，但此類跑車機械結構復雜，質量大，且因蓄電池容量限制，跑車的續(xù)航能力不足，若在工作途中蓄電池電量耗盡，易導致運輸過程發(fā)生貨物掉落等安全事故[4]。如何將采伐的竹材高效安全、低成本運輸下山成為亟待解決的技術瓶頸。

本研究對竹材索道集材跑車運輸系統(tǒng)中懸索和跑車等關鍵部件進行分析，設計了一種結構簡單、續(xù)航能力強、運輸安全性較高的自充電索道跑車，繪制了跑車三維模型，對跑車關鍵部件進行了有限元分析，對跑車-索道運輸系統(tǒng)進行了仿真試驗。自充電跑車設計大幅提高跑車續(xù)航能力和安全性，為竹材運輸下山裝備開發(fā)提供一種新的思路。

1 竹材索道集材跑車運輸系統(tǒng)關鍵部件設計

1.1 基本參數(shù)

根據(jù)在湖南、福建等省部分竹林地理環(huán)境的航拍調研結果，以及竹材質量和結構特點，初步確定竹材索道集材跑車運輸系統(tǒng)基本設計參數(shù)：竹林垂直高度≤200 m，索道傾斜角≤35°，索道跨距200～500 m，承載索速度≤1.0 m·s-1(可調)，牽引索與回空索速度≤4.0 m·s-1(可調)，跑車質量200 kg，運輸跑車單次載質量≤400 kg。

1.2 懸索設計

在現(xiàn)代林業(yè)索道集材運輸領域中，對工作索的要求為：具有可靠的靜態(tài)抗拉力和交變的動態(tài)承載力；具有良好的抗磨性，在跑車滑輪接觸、轉動、滑動、擠壓作用下不易損耗；具有適宜的彈性，易于吸收沖擊。本設計選用“6×19 股纖維芯”鋼絲繩作為承載索，根據(jù)跑車和吊運質量、索道傾斜角等主要設計參數(shù)初步確定承載索規(guī)格。承載索金屬截面積FMB可由下式計算[5]：

式(1)中：P為總載荷(N)；n為安全系數(shù)，對于林業(yè)索道承載索，n一般取2；l0為承載索有效長度(m)；β為索道傾斜角；f為有荷最大撓度，f=Sl0，S為有荷最大撓度系數(shù)，S一般取0.03；[σ]為承載索鋼絲有效強度，[σ]=0.85σb，σb為極限強度，σb=2 160 MPa?？傒d荷：

式(2)中：Q為跑車與吊運質量(kg)；a為沖擊載荷系數(shù)，查表取a=0.3。將Q=6 000N代入式(2)可得：P=7 800 N。將P=7 800 N，[σ]=1 836 MPa，最大傾斜角β=35°等參數(shù)代入式(1)得：FMB=88.96 mm2。

根據(jù)承載索金屬截面積，可計算承載索直徑(d)：

1.3 跑車設計

1.3.1 結構設計 ①行走機構。行走機構設計的關鍵是行走滑輪的選擇，行走滑輪個數(shù)和各滑輪間距大小對承載索彎曲應力影響很大。通過應變片試驗測試，行走滑輪作用下承載索彎曲應力分布[5]如圖1所示。當跑車吊重在承載索上運行時，行走輪正下方彎曲應力最大，彎曲應力隨載荷作用點距離變大而逐漸減小。圖1A 比圖1B 應力分布情況更加合理，雖然彎曲應力最大值不變，但其彎曲應力的變化曲線較為平緩。因此，任意加大跑車行走輪的間距，對承載索的受力非常不利。為延長承載索使用壽命，應把行走輪布置得相互靠近并使之具有相等的間距。通常行走輪縱向輪距應為行走輪輪徑2 倍左右。本設計跑車行走輪間距取700 mm。行走輪個數(shù)(N)可由最大彎曲應力( σw)求得[5]：

圖1 行走滑輪作用下承載索彎曲應力Figure 1 Bending stress of bearing cable under the action of traveling pulley

式(4)中：P為總載荷(N)；σw為承載索最大彎曲應力(N·mm-2)；Ek為承載索彈性模量(MPa)；T為承載索最大張力(N)；FMB為鋼索橫截面面積(mm2)。承載索最大張力(T)可由承載索的最大破斷拉力(TP)求得：

式(5)中：TP為承載索最大破斷拉力，TP=φS，φ為折斷系數(shù)，φ=0.82～0.90，此處取φ=0.90，S為鋼絲繩破斷拉力(N)；K為考慮沖擊系數(shù)后承載索的安全系數(shù)，取K=2.5。將TP=100 800 N 代入式(5)，得T=40 320 N，承載索最大拉應力。由式(4)可知：拉應力與承載索張力T成正比，而彎曲應力與承載索最大張力T成反比，考慮到承載索總應力不得超過承載索鋼絲繩的有效強度，一般規(guī)定：

（五）地緣政治局勢依然動蕩。當前地緣政治“灰犀牛”“黑天鵝”風險并存。英歐在退歐關稅聯(lián)盟談判上的對抗性上升，意大利民粹黨派幾經(jīng)波折最終成功組閣，西班牙中右翼政府未通過不信任投票，歐洲政治不確定性已對歐元區(qū)經(jīng)濟復蘇和歐洲一體化發(fā)展構成挑戰(zhàn)。敘利亞內(nèi)戰(zhàn)、恐怖主義威脅熱度難減，伊核問題因美退出協(xié)議驟然升溫，美駐以使館遷館已釀巴以嚴重沖突，以色列挾美支持對伊朗關系日趨緊張，初顯緩和的朝核局勢未來走向依然成謎，突發(fā)性地緣沖突嚴重沖擊全球經(jīng)濟的風險正在不斷積聚。

本次設計取σw=0.5σi=278 MPa。將P=7 800 N，σw=278 MPa，T、Ek和FMB等參數(shù)代入式(4)得N=5.3，取N為6 個。②升降卷揚機構。升降卷揚機構指安裝于跑車車架底板上對稱布置的2 臺升降卷揚機，主要包括電機、齒輪減速機構、剎車裝置、起重索、防脫掛鉤等。通過控制卷揚機起重索的升降實現(xiàn)林間集材和集材點打捆竹材的提升運輸。根據(jù)索道集材跑車運輸系統(tǒng)設計要求，跑車升降卷揚機選用坤航起重機械有限公司生產(chǎn)的邁士頓小型升降卷揚機。卷揚機參數(shù)如表1。③自充電機構。自充電機構主要由鏈傳動裝置、發(fā)電機和蓄電池組成。跑車行走輪在承載索上轉動時，前后2 個行走輪通過與其同軸連接的鏈傳動裝置將機械能傳遞給發(fā)電機，發(fā)電機將轉換的電能傳輸至蓄電池，實現(xiàn)跑車邊工作邊充電，提高跑車的續(xù)航能力。跑車整體結構如圖2 所示。

表1 升降卷揚機參數(shù)Table 1 Lifting winch parameters

圖2 跑車整體結構示意圖Figure 2 Overall structure diagram of sports car

1.3.2 工作原理 集材作業(yè)時，主機上的卷揚機控制牽引索與回空索運行，牽引跑車在承載索上移動至林間集材點上空，并通過控制牽引索與回空索實現(xiàn)跑車在集材點上空的定位。當跑車固定于林間集材點上空時，用遙控器控制跑車升降卷揚機放索，人工拽拉繩索至林間伐倒竹材處，將卡住竹材根部的卡具掛在繩索上，跑車卷揚機收索，將竹子牽引至林間集材點。在集材點進行竹材打捆，用遙控器控制跑車升降卷揚機收索，提升打捆竹材至限位高度。再控制主機上的牽引索與回空索運行，牽引跑車運輸竹材至轉運點。

2 跑車行走輪靜力學分析

2.1 材料加載與網(wǎng)格劃分

由于跑車與重物的整體質量全部通過行走輪支撐在承載索上，行走輪受力較大。若在工作過程中失效，將造成安全事故，所以需對行走輪進行靜力學分析[6]。行走輪采用的灰鑄鐵HT250 制作，其硬度低于鋼絲繩。HT250 力學特性如表2 所示。

表2 HT250 材料特性Table 2 HT250 material properties

利用ABAQUS 自帶的四面體網(wǎng)格法[7]對行走輪進行網(wǎng)格劃分。圖3 為網(wǎng)格劃分圖，網(wǎng)格節(jié)點總數(shù)為247 062 個，單元數(shù)為82 354 個。

圖3 行走輪網(wǎng)格劃分圖Figure 3 Grid division diagram of walking wheel

2.2 施加約束和載荷

行走輪工作時，圍繞承載索垂直方向轉動，因此，設置約束時，釋放X軸方向的轉動，其余方向的移動與轉動均固定。

跑車工作時，跑車與重物總載荷全部作用在行走輪軸上，行走輪軸再作用于行走輪。設行走輪軸施加的壓力均勻作用于輪孔上。6 個行走輪受總載荷為7 800 N，則作用于中心孔的均布壓力Gn：

式(7)中：P′為單個行走輪中心孔壓力(N)；D為行走輪中心孔直徑，為50 mm；h為行走輪輪寬，為60 mm。

2.3 求解

跑車行走輪在施加約束和載荷后，經(jīng)求解運算得到行走輪等效應力最小值為3.121×10-3MPa，最大值為11.84 MPa；等效位移最小值為0 m，最大值為1.778×10-4m。等效應力和等效位移云圖如圖4A 和圖4B。

圖4 等效應力云圖(A)和等效位移云圖(B)Figure 4 Equivalent stress nephogram and equivalent displacement nephogram

由圖4A 可知：行走輪的最大應力出現(xiàn)在輪中心孔圈中間處，為11.84 MPa；最小應力出現(xiàn)在行走輪輪緣最外側，行走輪壓力沿2 側輪緣變化平穩(wěn)。由圖4B 知：行走輪的最大位移發(fā)生在外側車輪輪緣和輪中心孔圈中間處，變形量為1.778×10-4m。由于灰鑄鐵HT250 的許用應力為250.00 MPa，遠大于工作時所受的最大應力，且行走輪最大位移量對其工作狀態(tài)影響極小，因此強度和剛度均滿足設計要求。

3 運輸跑車-承載索耦合振動仿真分析

3.1 承載索模型簡化

本設計中承載索鋼絲繩是由6 繩股捻繞而成，具有一定的撓度。進行動力學分析時，需先把鋼絲繩簡化。在應用ADAMS 研究耦合振動時，還需要對鋼絲繩進行柔性化處理。此處選擇利用ABAQUS 軟件將簡化后的鋼絲繩模型進行網(wǎng)格劃分，模態(tài)處理后保存為MNF 過渡文件格式[8]，再將文件導入ADAMS 軟件中，獲得鋼絲繩的柔性體。

3.2 承載索垂直位移時間歷程分析

將SolidWorks 建立的跑車和模態(tài)處理后的承載索三維模型導入ADAMS 2020 應用軟件，在ADAMS 中給跑車-承載索平移驅動motion 設置step 函數(shù)控制其運行速度[9]，當跑車速度為2 m·s-1時，step 函數(shù)為step(time, 0, 0, 2, 2)+step(time, 250, 0, 252, -2)，即前2 s 跑車速度由0 m·s-1加速到2 m·s-1，2～250 s 以2 m·s-1保持勻速運動，接近承載索端點時，由2 m·s-1減速到0 m·s-1。承載索鋼絲繩長度為500 m，取250 m 處鋼絲繩為研究點，跑車速度設置2 和4 m·s-1，跑車總質量取200、400、600 kg，索道傾斜角為20°，通過ADAMS 運動仿真得到承載索的垂直位移時間歷程如圖5 所示。

圖5 不同跑車總質量下承載索的垂直位移時間歷程Figure 5 Vertical displacement time history of the load-bearing cable under different total mass of sports cars

圖5 可以看出：隨著速度增加，跑車走完全程完成1 次竹材運輸所需時間減少。承載索垂直位移隨跑車速度的增加而增大，且通過圖5A 與圖5B 對比發(fā)現(xiàn)：速度為2.0 m·s-1時位移變化比4.0 m·s-1時密集，此時跑車在承載索上運行時對承載索施加的載荷頻率變化快。當速度為4.0 m·s-1時，雖位移變化頻率比2.0 m·s-1時小很多，但此時振幅劇增，位移最大可達4.39 m，容易導致跑車運輸?shù)呢浳锏袈浠虺休d索因撓度過大發(fā)生斷裂。跑車運輸工作過程中應盡量避免在此工況下工作。速度一定時，對比跑車在不同載荷下索道垂直位移變化發(fā)現(xiàn)，隨著跑車載荷的增加，承載索垂直位移越大。載荷一定時，隨著跑車速度增加，位移急劇增大。因此，載運量越大，速度越快，往返運輸竹子時間越短，效率越高，但此時跑車與承載索的位移大，可能導致跑車運輸貨物掉落或索道斷裂風險，安全性較低。為保證跑車運輸竹材安全性和高效率，需要確定跑車優(yōu)化運輸條件。

4 基于ADAMS 的跑車運輸仿真試驗

跑車運輸竹材的仿真分析結果表明：影響竹材運輸效率和安全性的主要因素為運輸速度和運輸質量。此外，索道的傾斜角對運輸安全性也具有較大影響[10]，但因索道運輸時索道傾斜角條件主要取決于竹林場實際山體高度，通過增大或減小山頂與山底塔架的高度對傾斜角的影響不大。若要將塔架增減到影響傾斜角的高度，將增加安裝運輸成本，且隨著索道支撐塔架的增高，運輸安全性將受到極大影響。因此，竹材索道集材跑車運輸系統(tǒng)主要應用于傾斜角為20°±4°的竹林地環(huán)境。綜合考慮實際作業(yè)過程中運輸速度、跑車與竹材總質量和索道傾斜角的變化對整個運輸系統(tǒng)效率和安全性的影響，基于第3 節(jié)中ADAMS 構建的索道跑車運輸仿真模型，開展Box-Behnken 仿真試驗以確定優(yōu)化參數(shù)組合[11]。

4.1 試驗因素與評價指標

以運輸速度(x1)、跑車與竹材總質量(x2)、索道傾斜角(x3)為試驗因素，以索道最大位移(y1)和運輸效率(y2)為評價指標進行仿真試驗，因素水平編碼如表3 所示。因試驗存在2 個評價指標，且2 個指標之間存在一定的矛盾，即安全性越高，y1應盡可能??；而運輸效率越高，則y2要偏大。此處采用多指標問題處理的綜合評分法中排隊評分法，對2 個試驗指標進行綜合評分(表4)，將多指標綜合為單指標進行分析[12]。

表3 試驗因素編碼Table 3 Test factor coding

表4 試驗結果Table 4 Test result

式(8)中：t為運輸總時間(s)。

根據(jù)仿真試驗結果，對于最大位移指標，第8 號試驗為0.98 m，位移量最小，賦予10 分；第7 號試驗為4.39 m，位移量最大，賦予1 分。對于效率指標，第7 號試驗為4.65 kg·s-1，效率最高，賦予10 分；第8 號試驗為0.79 kg·s-1，效率最低，賦予1 分。對其他試驗號各指標值的得分，根據(jù)其與該指標優(yōu)秀值的差異按比例打分，最后對每號試驗各指標的分數(shù)相加即得綜合評分。

4.2 試驗結果與分析

仿真試驗結果如表4 所示。采用Design-Expert 13 對表4 數(shù)據(jù)進行回歸分析[13]，得到評價跑車運輸安全性與運輸效率的綜合評分指標(y3)關于運輸速度(x1)、跑車與竹材總質量(x2)和索道傾斜角(x3)二次回歸模型為：?；貧w方程的方差分析如表5 所示?；貧w方程模型顯著性檢驗F1=25.15，P＜0.001 0，表明回歸方程極為顯著，與試驗值擬合程度好，模型合理。模型的失擬性檢驗F2=2.82，P=0.170 8＞0.05，說明回歸方程與實際誤差所占比例很小，即試驗誤差小。由方差分析結果可看出：各因素對跑車運輸安全性與運輸效率綜合影響由大到小依次為索道傾斜角、運輸速度、跑車與竹材總質量。

表5 綜合評分指標(y3)方差分析Table 5 Analysis of variance of comprehensive evaluation index (y3)

4.3 響應面分析

為探究各因素的交互 作用，利用Design-Expert 13 建立運輸速度、跑車與竹材總質量及索道傾斜角的交互因素對綜合評分指標(y3)的響應面曲線，結果如圖6 所示。由圖6A 可知：運輸速度一定時，隨著跑車與竹材總質量增大，y3先減小后增大，最佳運輸總質量為400～600 kg；總質量一定時，y3與運輸速度呈正相關，最佳運輸速度為3.0～4.0 m·s-1，運輸速度和跑車與竹材總質量的交互作用顯著。由圖6B 可知：運輸速度一定時，y3與傾斜角呈負相關，隨著傾斜角的增大而減小，最佳傾斜角為16.4°～20.8°；傾斜角一定時，y3與運輸速度呈正相關，隨運輸速度的增大而增大，最佳運行速度為2.8～4.0 m·s-1，跑車運輸速度與傾斜角的交互作用不顯著。由圖6C 可知，傾斜角一定時，隨著跑車與竹材總質量增大，y3先減小后增大，最佳運輸總質量為420～580 kg；總質量一定時，y3與傾斜角呈負相關，隨傾斜角的增大而減小，最佳傾斜角度為16.5°～20.4°，跑車與竹材總質量和傾斜角的交互作用顯著。綜合各交互因素響應曲面分析可得：當索道傾斜角為16.5°～20.4°、運輸速度為3.0～4.0 m·s-1、跑車與竹材總質量為420～580 kg 時，綜合考慮的跑車運輸安全性和運輸效率效果較好。

圖6 交互作用對綜合評分指標(y3)的影響Figure 6 Influence of interaction on comprehensive evaluation index (y3)

4.4 參數(shù)優(yōu)化

為明確在跑車運輸安全性和運輸效率綜合達到最優(yōu)情況下的最佳參數(shù)組合，以y3值最大為優(yōu)化目標，采用Design-Expert 13 中的優(yōu)化模塊對3 種因素在約束條件下進行求解，優(yōu)化約束條件為：

求解得最佳參數(shù)組合：運輸速度為3.95 m·s-1，跑車與竹材總質量為576.67 kg，索道傾斜角為17.09°，此時y3為12.31，達到最大，跑車運輸安全性和運輸效率綜合達到最佳。

5 結論

針對山地竹材砍伐后運輸下山困難，成本高，現(xiàn)行簡易索式、軌道式等機械設備多由木材索式、軌道式改造而來，效果不穩(wěn)定，實用性不高，安全得不到保障等問題，提出了一種專用于山地竹材運輸?shù)乃鞯兰淖猿潆娕苘囘\輸系統(tǒng)。通過實地調研，確定了竹材索道集材跑車運輸系統(tǒng)基本設計參數(shù)，對懸索及跑車整體尺寸、功能進行設計，并對跑車關鍵受力部件進行強度和剛度校核。經(jīng)有限元靜力學分析可知：運輸過程中跑車行走輪所受最大應力為11.84 MPa，遠小于行走輪許用應力，最大變形量為1.778×10-4m，對跑車正常工作影響極小，強度和剛度均滿足設計要求。使用ABAQUS 和ADAMS 軟件對跑車與索道組成的系統(tǒng)進行了振動耦合分析，探究了運輸速度、跑車與竹材總質量對運輸安全性和效率的影響。當跑車速度越快，吊運竹材質量越大時，效率越高，但此時安全性急劇下降，最大位移量可達4.39 m，易發(fā)生安全事故。

承載索傾斜角為16.5°～20.4°、運輸速度為3.0～4.0 m·s-1、跑車與竹材總質量為420～580 kg 時，跑車運輸安全性和運輸效率均較好；運輸速度為3.95 m·s-1、跑車與竹材總質量為576.67 kg、索道傾斜角為17.09°時，運輸安全性和效率綜合達到最佳。